Enfriamiento evaporativo: principio y eficiencia

El enfriamiento evaporativo evapora agua en una corriente de aire: la evaporación absorbe calor y el aire se enfría, sin compresor, sin refrigerante y con un consumo energético muy inferior al de la climatización convencional. Termodinámicamente es un proceso adiabático: la entalpía total no cambia, solo el reparto entre calor sensible (la temperatura baja) y calor latente (la humedad sube). En el diagrama psicrométrico sigue por eso una línea de bulbo húmedo constante, y su límite natural es la temperatura de bulbo húmedo del aire de entrada. En el interior de la península, con veranos calurosos y secos, es una de las formas de enfriar más eficaces que existen.

El principio físico: evaporación y calor latente

Cuando el agua se evapora en el aire, consume el calor latente de vaporización: unos 2501 kJ/kg a 0 °C, o 2442 kJ/kg a 25 °C. Esa energía no sale de otra parte que del contenido de calor del propio aire. El calor sensible que cede el aire al bajar su temperatura es exactamente el que consume la evaporación, de modo que la entalpía total se mantiene (aproximadamente) igual.

Por dónde va el proceso en el diagrama

El estado inicial es el punto A, por ejemplo el aire de una tarde de verano en Madrid. El aire atraviesa el humectador y avanza a lo largo de la línea de bulbo húmedo constante (prácticamente una isoentálpica) hacia temperaturas más bajas: en el diagrama de Carrier, hacia arriba y a la izquierda; en el de Mollier, en diagonal hacia abajo y a la derecha. El proceso termina en el punto deseado o, como muy tarde, sobre la curva de saturación ($\varphi = 100\ \%$): es el máximo teórico, la temperatura de saturación adiabática, que corresponde a la temperatura de bulbo húmedo del aire de entrada. En el diagrama el proceso es una sola línea oblicua, así que se dibuja bien a mano: hay hojas en blanco para imprimir en PDF y SVG. Los equipos reales alcanzan entre el 70 y el 95 % de ese máximo, según su eficiencia adiabática $\eta_{a}$ (eficiencia de saturación, $\varepsilon$ en ASHRAE).

Cálculo de la eficiencia de saturación

La eficiencia adiabática $\eta_{a}$ (eficiencia de saturación) es el parámetro básico de cualquier enfriador evaporativo:

$$\eta_{a} = \frac{t_{ent} - t_{sal}}{t_{ent} - t_{bh}}$$

donde $t_{bh}$ es la temperatura de bulbo húmedo del aire de entrada.

Ejemplo: aire exterior en la condición de proyecto de verano de Madrid-Barajas según la guía técnica del IDAE, 36,4 °C con una temperatura de bulbo húmedo coincidente de 19,1 °C (φ ≈ 18 %), y un enfriador con $\eta_{a} = 0{,}85$:

$$t_{sal} = 36{,}4 - 0{,}85 \cdot (36{,}4 - 19{,}1) = 36{,}4 - 14{,}7 = 21{,}7\ ^{\circ}\text{C}$$

Casi 15 °C de enfriamiento sin un solo vatio de compresor. El aire sale a unos 21,7 °C y 78 % de humedad relativa.

Cuánto enfría según el clima

La misma guía del IDAE da las condiciones de proyecto de verano (percentil del 0,4 %) de cada estación. Con el mismo enfriador ($\eta_{a} = 0{,}85$):

Estación	Aire exterior	$t_{bh}$ coincidente	Aire tratado	Enfriamiento
Madrid-Barajas	36,4 °C, φ ≈ 18 %	19,1 °C	21,7 °C, φ ≈ 78 %	14,7 K
Sevilla (aeropuerto)	39,2 °C, φ ≈ 29 %	24,3 °C	26,5 °C, φ ≈ 83 %	12,7 K
Valencia	32,9 °C, φ ≈ 40 %	22,3 °C	23,9 °C, φ ≈ 87 %	9,0 K
Bilbao (aeropuerto)	31,2 °C, φ ≈ 44 %	21,9 °C	23,3 °C, φ ≈ 88 %	7,9 K

Lo que decide no es el calor, sino la distancia entre la temperatura seca y la de bulbo húmedo. Sevilla es más calurosa que Madrid, pero su aire lleva el doble de agua, y el aire tratado sale casi 5 °C más caliente. En la costa, el enfriamiento directo se queda en poco más de la mitad del de Madrid y deja el aire muy húmedo.

Enfriamiento evaporativo directo frente a indirecto

Enfriamiento evaporativo directo

El aire entra en contacto directo con el agua o con una niebla de agua. Sencillo, barato y muy eficaz en clima seco. El inconveniente: el aire que llega al local va más húmedo. Con humedades de entrada del 50–60 %, como en la costa mediterránea o cantábrica, el margen de enfriamiento se reduce y la humedad resultante en el local puede resultar incómoda.

Enfriamiento evaporativo indirecto

La evaporación enfría una corriente de aire secundaria, que cede su frío a la corriente principal a través de un intercambiador sin que se mezclen. El aire principal se enfría sin ganar humedad: en el diagrama de Carrier se desplaza en horizontal hacia la izquierda (enfriamiento sensible). La variante más avanzada es el ciclo Maisotsenko (ciclo M), que puede llevar la temperatura de salida del aire principal por debajo de su temperatura de bulbo húmedo. Desde el punto de vista higiénico, el enfriamiento indirecto es una forma habitual de incorporar a un proyecto un enfriamiento parcial con una inversión baja.

Los límites del enfriamiento evaporativo

El límite fundamental es claro: cuanto más seco es el aire de entrada, mejor funciona. Cuando la humedad relativa de entrada supera el 60–70 %, el margen de enfriamiento cae de forma drástica. En el interior peninsular, con humedades del 20–30 % a mediodía en verano, el enfriamiento directo rinde al máximo; en la costa, las variantes indirectas siguen siendo competitivas. Otro límite es la calidad del agua: el agua dura ensucia los equipos con cal y la blanda puede provocar corrosión. A ello se suma el riesgo higiénico de la Legionella, que se controla con un tratamiento adecuado del agua, purgas y, cuando procede, desinfección ultravioleta; en España, los equipos de enfriamiento evaporativo están sujetos al Real Decreto 487/2022 sobre prevención y control de la legionelosis, y el agua de aportación debe tener calidad sanitaria (RITE, IT 1.1.4.3.3). El enfriamiento evaporativo directo no es adecuado para locales con exigencias de limpieza elevadas. El consumo de agua es otra limitación que conviene valorar.

Comparación con el enfriamiento por compresión

Un enfriador evaporativo consume normalmente entre el 10 y el 25 % de la energía de un sistema de compresión de la misma potencia. La relación entre la potencia frigorífica y la potencia eléctrica de ventiladores y bombas (un «COP» simplificado en este sentido, no el COP termodinámico de un ciclo frigorífico) es del orden de 10–40 en los sistemas evaporativos, mientras que el COP real de un equipo partido suele estar entre 2,5 y 5. La contrapartida es la dependencia de la humedad del aire de entrada y la imposibilidad de garantizar condiciones precisas sin un sistema de apoyo. En naves industriales, centros de datos, invernaderos y espacios exteriores en clima seco, el enfriamiento evaporativo es la primera opción; para un control preciso en oficinas de la costa, más bien un complemento.

Preguntas frecuentes

¿Por qué un enfriador evaporativo no puede enfriar el aire por debajo de la temperatura de bulbo húmedo? Porque el proceso sigue una línea de bulbo húmedo constante, y la temperatura de bulbo húmedo es el punto en que esa línea corta la curva de saturación. Más allá el aire ya está saturado y no puede enfriarse más por evaporación. La excepción son los ciclos indirectos avanzados (el ciclo M).

¿Merece la pena el enfriamiento evaporativo en España? En el interior peninsular, claramente: con la condición de proyecto de Madrid enfría casi 15 K. En la costa húmeda el enfriamiento directo tiene un potencial limitado, pero las variantes indirectas siguen siendo eficientes energéticamente. Funciona mejor cuanto más seco es el aire de entrada.

¿Qué relación tiene la eficiencia de saturación con el proyecto? Indica cuánto se acerca la temperatura de salida a la de bulbo húmedo. A partir de $\eta_{a}$ y de las condiciones de entrada se calcula directamente la temperatura de salida, que se puede comprobar en el diagrama psicrométrico.